Mentre il rover Curiosity della NASA vaga per la superficie di Marte, la sua ChemCam cattura la composizione chimica dell'ambiente circostante con un sistema laser appositamente progettato. È il laser più potente per operare sulla superficie di un altro pianeta. L'esplosione di luce infrarossa che spara dura solo pochi miliardesimi di secondo, ma è abbastanza potente da vaporizzare il punto in cui colpisce a più di 8, 000°C. Anche da lontano, la ChemCam può esaminare rocce e suolo utilizzando un processo chiamato spettroscopia di rottura indotta da laser (LIBS), dove le esplosioni laser atomizzano ed eccitano i componenti e le immagini spettrali catturano le loro firme chimiche.

Qui sulla Terra, gli scienziati stanno già costruendo la ChemCam della prossima generazione con aggiornamenti impressionanti e nuove capacità spettrali per il rover NASA Mars 2020, chiamato per l'anno del suo lancio programmato. Oltre a un sistema LIBS più veloce, la SuperCam sarà dotata di un sistema laser raffreddato a conduzione completamente nuovo per fornire la capacità di analisi non distruttiva della spettroscopia RAMAN, in grado di rilevare le firme a base di carbonio di materiali organici.

Insieme al Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) e all'Istituto di Ricerca in Astrofisica e Planetologia (IRAP), Thales Group è nelle fasi finali dei test del sistema compatto SuperCam che alla fine resisterà alle dure condizioni marziane. Hanno già costruito e testato un completo, modello rappresentativo, i risultati di questa ricerca saranno presentati durante l'OSA Laser Congress, 1-5 ottobre 2017 a Nagoya, Giappone.

A differenza della funzionalità solo LIBS di Curiosity, questo nuovo strumento sarà in grado di passare da una modalità LIBS a una modalità Raman di laser, un metodo che richiede due diversi colori laser per eccitare e sondare le energie di vibrazione molecolare per la sua identificazione chimica non distruttiva. Il secondo colore è prodotto da un cristallo che raddoppia la frequenza di 1064 nanometri utilizzata per le misurazioni LIBS, che ora produce 10 volte più colpi in ogni burst del laser per un campionamento più rapido.

Questo secondo, Il raggio di 532 nanometri consentirà a Mars 2020 di rilevare strutture molecolari evidenti di materia organica, prove di vita passata. La nuova architettura ottica necessaria per produrre le due modalità di funzionamento, però, non era privo di sfide.

L'oscillatore LIBS aggiornato utilizza un cristallo Nd:YAG pompato a diodi, al contrario di Nd:KGW di ChemCam, che fornisce le raffiche più lunghe ma richiede nuovi metodi per garantire la funzionalità in un ampio intervallo di temperature. Poiché il Nd:YAG assorbe su una gamma ristretta di frequenze per lase a una data temperatura, la SuperCam utilizza un diodo impilato multicolore che può pompare con un ampio spettro per tenere conto di un intervallo di temperature.

"Questo laser funziona in modalità burst, ma con questo laser possiamo fare 1000 scatti in una raffica mentre il laser ChemCam era 10 volte in meno, " ha detto Eric Durand, uno degli sviluppatori di SuperCam presso Thales Group, Francia. "Pomiamo longitudinalmente questo laser con uno stack che emette una banda larga in modo che quando la temperatura cambia, il cristallo ND:YAG assorbe ancora la luce e il laser può essere utilizzato ad almeno 50-60 gradi senza regolazione della temperatura."

Aggiungendo un'altra complicazione al controllo della temperatura, il cristallo KTP che produce il verde, la luce a frequenza raddoppiata richiedeva una stabilizzazione aggiuntiva.

"L'aspetto più difficile è stato ottenere il range di temperatura anche con la lunghezza d'onda verde perché dobbiamo mantenere l'efficienza su tutto il range, ed è stato possibile solo scaldando un po' il cristallo KTP, " ha detto Durando.

La stabilizzazione della temperatura necessaria per mantenere il sistema allineato e funzionante per entrambe le modalità è abbastanza difficile da ottenere in un laboratorio, ma questo sistema è stato progettato per avere la stessa stabilità mentre si trova sul rover mentre attraversa il terreno roccioso marziano. Inoltre, deve soddisfare le rigide restrizioni di dimensioni e peso che derivano dai viaggi nello spazio e rimanere privo di contaminanti che potrebbero distruggere i suoi componenti - un'impresa ottenuta sigillando lo strumento con la saldatura laser.

Le capacità robuste e potenti della nuova SuperCam saranno una preziosa sonda chimica per il rover Mars 2020 e potrebbero semplicemente riportare in vita tutta una serie di nuove scoperte qui sulla Terra.